کاربرد گاز نیتروژن و هلیوم در خنک کننده های ابر رسانا

ابررسانایی (Superconductivity) پدیده‌ای فیزیکی است که در آن یک ماده در دمای خاصی (معمولاً در دماهای بسیار پایین) مقاومت الکتریکی خود را به طور کامل از دست داده و جریان الکتریکی را بدون هیچ گونه اتلاف انرژی عبور می‌دهد. برای رسیدن به این دماهای پایین، اغلب از خنک‌کننده‌هایی مانند نیتروژن مایع استفاده می‌شود. این پدیده اولین بار در سال ۱۹۱۱ توسط فیزیکدان هلندی (Heike Kamerlingh Onnes) کشف شد.

۱. مقاومت الکتریکی صفر: در حالت ابررسانایی، مقاومت الکتریکی ماده به صفر می‌رسد و جریان الکتریکی بدون هیچ گونه اتلاف انرژی می‌تواند به طور نامحدود جریان یابد.

۲. اثر مایسنر (Meissner Effect): یک ابررسانا میدان مغناطیسی را از درون خود دفع می‌کند. این اثر باعث می‌شود که ابررساناها بتوانند در میدان‌های مغناطیسی شناور بمانند.

۳. دمای بحرانی (Critical Temperature): هر ابررسانا در دمای خاصی به نام دمای بحرانی (Tc) وارد حالت ابررسانایی می‌شود. این دما برای مواد مختلف متفاوت است.

انواع ابررساناها:

۱. ابررساناهای نوع I : این مواد در میدان‌های مغناطیسی ضعیف ابررسانایی خود را حفظ می‌کنند، اما در میدان‌های قوی‌تر، ابررسانایی خود را از دست می‌دهند.

مثال: فلزاتی مانند جیوه و سرب.

۲. ابررساناهای نوع II : این مواد می‌توانند در میدان‌های مغناطیسی قوی‌تر نیز ابررسانایی خود را حفظ کنند.

مثال: برخی از آلیاژها و ابررساناهای دمای بالا.

ابررساناهای دمای بالا: این ابررساناها در دماهای نسبتاً بالاتری (بالاتر از ۷۷ کلوین یا ۱۹۶- درجه سانتی‌گراد) وارد حالت ابررسانایی می‌شوند.

مثال: مواد مبتنی بر مس مانند YBCO (ایتریم-باریم-مس-اکسید).

کاربردهای ابررسانایی:

۱. آهنرباهای ابررسانا: استفاده در دستگاه‌های MRI، شتاب‌دهنده‌های ذرات و راکتورهای همجوشی هسته‌ای.

۲. خطوط انتقال برق: انتقال برق بدون اتلاف انرژی.

۳. ذخیره‌سازی انرژی: استفاده در سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی مانند SMES (ذخیره‌سازی انرژی مغناطیسی ابررسانا).

۴. قطارهای مغناطیسی (مگلو):استفاده در سیستم‌های حمل و نقل پرسرعت.

۵. الکترونیک و محاسبات کوانتومی: استفاده در ساخت قطعات الکترونیکی پیشرفته و کامپیوترهای کوانتومی.

چالش‌های ابررسانایی:

• نیاز به دمای بسیار پایین: اکثر ابررساناها تنها در دماهای بسیار پایین (نزدیک به صفر مطلق، ۲۷۳- درجه سانتی‌گراد) کار می‌کنند. این موضوع نیاز به سیستم‌های خنک‌کننده پیچیده و پرهزینه دارد.
• هزینه‌های بالای خنک‌سازی: استفاده از مواد سرمازا مانند هلیوم مایع یا نیتروژن مایع برای خنک‌کردن ابررساناها بسیار گران است و نگهداری آن‌ها دشوار است.
• محدودیت در مواد ابررسانای دمای بالا: اگرچه ابررساناهای دمای بالا (مانند YBCO) در دماهای بالاتری کار می‌کنند، اما این مواد هنوز به دمای اتاق نرسیده‌اند و تولید آن‌ها دشوار و پرهزینه است.
• مقاومت مکانیکی پایین: برخی از ابررساناها، به ویژه ابررساناهای سرامیکی، شکننده هستند و در برابر فشارهای مکانیکی مقاومت کمی دارند.
• محدودیت در میدان‌های مغناطیسی قوی : ابررساناهای نوع I در میدان‌های مغناطیسی قوی ابررسانایی خود را از دست می‌دهند. حتی ابررساناهای نوع II نیز در میدان‌های بسیار قوی با محدودیت مواجه می‌شوند.
• چالش‌های تولید و ساخت: تولید مواد ابررسانا، به ویژه ابررساناهای دمای بالا، فرآیندی پیچیده و پرهزینه است که نیاز به فناوری‌های پیشرفته دارد.
• مشکلات در انتقال جریان بالا: برخی از ابررساناها در جریان‌های الکتریکی بالا عملکرد خود را از دست می‌دهند، که این موضوع استفاده از آن‌ها در کاربردهای صنعتی را محدود می‌کند.
• مشکلات در مقیاس‌پذیری: تولید ابررساناها در مقیاس بزرگ و استفاده از آن‌ها در کاربردهای صنعتی گسترده هنوز با چالش‌های فنی و اقتصادی مواجه است.
• وابستگی به مواد کمیاب: برخی از ابررساناهای دمای بالا به مواد کمیاب و گران‌قیمت مانند ایتریم و مس وابسته هستند، که این موضوع هزینه تولید را افزایش می‌دهد.
• چالش‌های زیست‌محیطی: استفاده از مواد سرمازا مانند هلیوم مایع و تولید ابررساناها ممکن است اثرات زیست‌محیطی داشته باشد. همچنین، هلیوم یک منبع محدود و غیرقابل تجدید است.

چرا خنک‌کردن مهم است

حفظ حالت ابررسانایی (Superconductivity) به شدت به دما وابسته است، و خنک‌کردن مواد ابررسانا تا دمای بحرانی (Critical Temperature یا Tc) یکی از مهم‌ترین مراحل در استفاده از این مواد است.

– از بین رفتن مقاومت الکتریکی: در حالت ابررسانایی، مقاومت الکتریکی ماده به صفر می‌رسد و جریان الکتریکی بدون هیچ گونه اتلاف انرژی عبور می‌کند. این حالت تنها در دماهای بسیار پایین ممکن است.

– حفظ اثر مایسنر (Meissner Effect): در حالت ابررسانایی، ماده میدان مغناطیسی را از درون خود دفع می‌کند. این اثر نیز تنها در دماهای پایین حفظ می‌شود.

– پایداری حالت ابررسانایی: اگر دما از Tc بالاتر برود، ماده از حالت ابررسانایی خارج می‌شود و مقاومت الکتریکی آن بازمی‌گردد.

خنک‌کردن با هلیوم مایع (Liquid Helium) یکی از رایج‌ترین و مؤثرترین روش‌ها برای رسیدن به دماهای بسیار پایین است. این روش به‌طور گسترده در کاربردهای علمی، صنعتی و پزشکی (مانند دستگاه‌های MRI و شتاب‌دهنده‌های ذرات) استفاده می‌شود.

مبانی خنک‌کردن با هلیوم مایع:

– دمای جوش هلیوم مایع: ۴٫۲ کلوین (۲۶۹- درجه سانتی‌گراد) در فشار اتمسفر

– کاربرد اصلی: خنک‌کردن ابررساناهای معمولی (نوع I) مانند نیوبیوم-تیتانیوم (NbTi) و نیوبیوم-قلع (Nb₃Sn).

ویژگی‌های هلیوم مایع:

– هلیوم تنها ماده‌ای است که در فشار اتمسفر به حالت مایع باقی می‌ماند و حتی در دمای نزدیک به صفر مطلق نیز منجمد نمی‌شود.

– هلیوم مایع دارای ویسکوزیته بسیار پایین و هدایت حرارتی بالا است.

روش‌های خنک‌کردن با هلیوم مایع:

الف. خنک‌کردن مستقیم (Direct Cooling): در این روش، ماده ابررسانا مستقیماً در هلیوم مایع غوطه‌ور می‌شود.

ب. خنک‌کردن غیرمستقیم (Indirect Cooling): در این روش، هلیوم مایع از طریق یک مبدل حرارتی یا لوله‌های خنک‌کننده به ماده ابررسانا منتقل می‌شود.

ج. سیستم‌های بازیابی هلیوم (Helium Recovery Systems): در این سیستم‌ها، هلیوم تبخیر شده جمع‌آوری و مجدداً به حالت مایع تبدیل می‌شود.

د. خنک‌کردن با هلیوم فوق‌سرد (Superfluid Helium Cooling): در دماهای زیر ۲٫۱۷ کلوین، هلیوم مایع به حالت فوق‌سرد (Superfluid) تبدیل می‌شود که ویسکوزیته آن صفر است.

چالش‌های خنک‌کردن با هلیوم مایع

– هزینه‌های بالا: هلیوم مایع گران‌قیمت است و تولید آن انرژی‌بر است.

– کمیابی هلیوم: هلیوم یک منبع محدود و غیرقابل تجدید است.

– اتلاف هلیوم: تبخیر هلیوم مایع باعث اتلاف آن می‌شود.

– نیاز به عایق‌بندی پیشرفته: برای جلوگیری از اتلاف سرمایش، سیستم‌های خنک‌کننده باید به‌طور کامل عایق‌بندی شوند.

کاربردهای خنک‌کردن با هلیوم مایع:

– دستگاه‌های MRI: برای خنک‌کردن آهنرباهای ابررسانا در دستگاه‌های تصویربرداری پزشکی.

– شتاب‌دهنده‌های ذرات: برای خنک‌کردن آهنرباهای ابررسانا در شتاب‌دهنده‌هایی مانند LHC در سرن (CERN).

– تحقیقات علمی: برای آزمایش‌های فیزیک دمای پایین و ابررسانایی.

– صنایع فضایی: برای تست تجهیزات در شرایط دمایی بسیار پایین.

جایگزین‌های احتمالی برای هلیوم مایع:

– ابررساناهای دمای بالا: استفاده از موادی که در دماهای بالاتری (مانند نیتروژن مایع) ابررسانا می‌شوند.

– سیستم‌های تبرید مکانیکی: استفاده از چرخه‌های ترمودینامیکی برای رسیدن به دماهای پایین بدون نیاز به هلیوم مایع.

– مواد سرمازای جدید: تحقیق بر روی مواد سرمازای جایگزین که ارزان‌تر و در دسترس‌تر هستند.

خنک‌کردن با نیتروژن مایع (Liquid Nitrogen) یکی از روش‌های رایج و مقرون‌به‌صرفه برای رسیدن به دماهای پایین است. این روش به‌طور گسترده در کاربردهای علمی، صنعتی و پزشکی استفاده می‌شود. نیتروژن مایع به دلیل دسترسی آسان، هزینه نسبتاً پایین و ایمنی نسبی، جایگزین مناسبی برای هلیوم مایع در بسیاری از کاربردها است. در اینجا به طور کامل به روش‌های خنک‌کردن با نیتروژن مایع می‌پردازیم:

مبانی خنک‌کردن با نیتروژن مایع:

– دمای جوش نیتروژن مایع: ۷۷ کلوین (۱۹۶- درجه سانتی‌گراد) در فشار اتمسفر

– نیتروژن مایع بی‌بو، بی‌رنگ و غیرسمی است

– نسبتاً ارزان و در دسترس است

– دارای هدایت حرارتی مناسب برای خنک‌کردن مؤثر

روش‌های خنک‌کردن با نیتروژن مایع:

الف. خنک‌کردن مستقیم (Direct Cooling): در این روش، ماده یا تجهیزات مورد نظر مستقیماً در نیتروژن مایع غوطه‌ور می‌شوند.

ب. خنک‌کردن غیرمستقیم (Indirect Cooling):در این روش، نیتروژن مایع از طریق یک مبدل حرارتی یا لوله‌های خنک‌کننده به ماده منتقل می‌شود.

ج. سیستم‌های بازیابی نیتروژن (Nitrogen Recovery Systems): در این سیستم‌ها، نیتروژن تبخیر شده جمع‌آوری و مجدداً به حالت مایع تبدیل می‌شود.

د. خنک‌کردن با نیتروژن مایع تحت فشار (Pressurized Liquid Nitrogen Cooling): در این روش، نیتروژن مایع تحت فشار قرار می‌گیرد تا دمای جوش آن افزایش یابد و کارایی خنک‌کردن بهبود یابد.

چالش‌های خنک‌کردن با نیتروژن مایع:

– اتلاف نیتروژن: تبخیر نیتروژن مایع باعث اتلاف آن می‌شود.

– نیاز به عایق‌بندی: برای جلوگیری از اتلاف سرمایش، سیستم‌های خنک‌کننده باید به‌طور کامل عایق‌بندی شوند.

– محدودیت دمایی: نیتروژن مایع نمی‌تواند به دماهای بسیار پایین (مانند هلیوم مایع) برسد.

کاربردهای خنک‌کردن با نیتروژن مایع:

– ابررساناهای دمای بالا: خنک‌کردن موادی مانند YBCO (ایتریم-باریم-مس-اکسید) که در دماهای بالاتر از ۷۷ کلوین ابررسانا می‌شوند.

– ذخیره‌سازی نمونه‌های بیولوژیکی: برای نگهداری سلول‌ها، بافت‌ها و نمونه‌های DNA.

– صنایع غذایی: برای انجماد سریع مواد غذایی.

– پزشکی: در جراحی‌های کرایوژنیک و نگهداری نمونه‌های پزشکی.

– صنایع الکترونیک: برای تست تجهیزات الکترونیکی در دماهای پایین.

مقایسه نیتروژن مایع با هلیوم مایع:

چالش های خنک سازی ابررساناها:

خنک‌کردن مواد ابررسانا یا سایر سیستم‌ها تا دمای بسیار پایین (نزدیک به صفر مطلق) با چالش‌های متعددی همراه است. در اینجا به طور مفصل به چالش‌های خنک‌کردن می‌پردازیم:

۱. نیاز به دمای بسیار پایین: ابررساناها تنها در دمای بحرانی (Tc) خود ابررسانایی را نشان می‌دهند. برای اکثر ابررساناهای معمولی، این دما نزدیک به صفر مطلق (۲۷۳- درجه سانتی‌گراد) است.

۲. هزینه‌های بالای خنک‌سازی: خنک‌کردن مواد ابررسانا به دماهای بسیار پایین نیاز به مواد سرمازا (مانند هلیوم مایع یا نیتروژن مایع) و سیستم‌های تبرید پیچیده دارد.

۳. اتلاف مواد سرمازا: مواد سرمازا مانند هلیوم مایع یا نیتروژن مایع به دلیل تبخیر مستمر، نیاز به جایگزینی مداوم دارند.

۴. نیاز به عایق‌بندی پیشرفته: برای جلوگیری از اتلاف سرمایش، سیستم‌های خنک‌کننده باید به‌طور کامل عایق‌بندی شوند.

۵. محدودیت در میدان‌های مغناطیسی قوی: ابررساناها در میدان‌های مغناطیسی قوی ممکن است از حالت ابررسانایی خارج شوند.

۶. مشکلات مکانیکی و شکنندگی مواد: برخی از مواد ابررسانا، به ویژه ابررساناهای سرامیکی، شکننده هستند و در برابر فشارهای مکانیکی مقاومت کمی دارند.

۷. چالش‌های زیست‌محیطی: استفاده از مواد سرمازا مانند هلیوم مایع و نیتروژن مایع ممکن است اثرات زیست‌محیطی داشته باشد.

۸. نیاز به انرژی بالا: سیستم‌های خنک‌کننده برای رسیدن به دماهای بسیار پایین نیاز به انرژی زیادی دارند.

۹. پیچیدگی فنی: طراحی و ساخت سیستم‌های خنک‌کننده برای دماهای بسیار پایین نیاز به فناوری پیشرفته دارد.

۱۰. محدودیت در مقیاس‌پذیری: استفاده از سیستم‌های خنک‌کننده در مقیاس‌های بزرگ (مانند خطوط انتقال برق ابررسانا) با چالش‌های فنی و اقتصادی مواجه است.

۱۱. ایمنی: کار با مواد سرمازا مانند هلیوم مایع و نیتروژن مایع خطرات ایمنی به همراه دارد.

۱۲. وابستگی به مواد کمیاب: برخی از ابررساناها به مواد کمیاب و گران‌قیمت وابسته هستند.